Выходное напряжение от температуры микросхема

Выходное напряжение от температуры микросхема

Микросхемы-термодатчики К1019EM1, K1019EM1A

Эти микросхемы представляют собой термодатчики с линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Они предназначены для работы в устройствах контроля, измерения и регулирования температуры. Микросхемы оформлены в металлостеклянном корпусе КТ-1-9 с гибкими проволочными лужеными выводами (рис. 1); масса прибора — не более 1,5 г.

Рис. 1. Корпус микросхем K1019EM1, K1019EM1A

Датчик по свойствам подобен стабилитрону с малым дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Приниципиальная схема прибора показана на рис. 2. Цоколевка:

вывод 1 — подключение цепи калибровки

вывод 2 — плюсовой вывод датчика

вывод 3 — минусовый вывод датчика, корпус микросхемы

Рис. 2. Принципиальная схема микросхем K1019EM1, K1019EM1A

Часто для построения датчика температуры используют свойство p-n-перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его теппературы. ТКН p-n-перехода отрицателен и имеет типовое значение 2 мВ/°С.

Недостатком p-n-перехода как датчика температуры является довольно большое дифференциальное сопротивление (25. 30 Ом при токе 1 мА). По этой причине для достижения мало-мальски приемленмых характеристик датчика p-n-переход необходимо питать от стабилизатора тока. Кроме того, ни у одного диода не нормированы ни сам ТКН, ни его стабильность,что серьезно затрудняет их применение в качестве термодатчиков, особенно в промышленной аппаратуре.

Работа датчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности значений напряжения на эммитерном переходе U_БЭ двух транзисторов с разной плотностью эммитерного тока. Эта разность U_БЭ при заданном соотношении значений площади эмиттера транзисторов и равном токе через них (это и обеспечивает разную плотность тока) оказывается пропорциональной обсолютной температуре кристалла:

U_БЭ = kT_KlnM/q

Здесь M = S2/S1 — отношение значений площади эмиттера транзисторов VT1 и VT2 (схема на рис. 2); k — постоянная Больцмана; Т_К — абсолютная температура; q — заряд электрона.

На транзисторах VT1, VT2 собран первый дифференциальный усилитель, а на VT9, VT10 — второй, управляемый сигналами первого. Транзисторы VT3 — VT8 образуют два генератора тока, один питает первый дифференциальный усилитель, а другой — второй. На транзисторах VT11 и VT12 собрано «токовое зеркало», служащее динамической нагрузкой второго дифференциального усилителя.

Выходной сигнал с нагрузки второго усилителя через эмиттерный повторитель (VT14) поступает на базу выходного транзистора VT16. Конденсаторы С1, С2 и резистор R10 обеспечивают устойчивость работы узла.

Условием баланса первого дифференциального усилителя является равенство значений коллекторного тока транзисторов VT1, VT2. Поскольку площади эмиттерного перехода этих транзисторов различаются в 10 раз, для балансирования усилителя на его вход подано напряжение U_БЭ = kT_Kln10/q.

При питании микросхемы током 1. 5 мА возникает отрицательная ОС по напряжению с выхода усилителя через делитель R2R3R4 на его вход. Эта связь устанавливает на выводах 2 и 3 микросхемы напряжение, пропорциональное разности падений напряжения на эмиттерном переходе транзисторов VT1 и VT2, с коэффициентом пропорциональности (R2 + R3 + R4)/R3.

Поскольку разность U_БЭ пропорциональна абсолютной температуре, ей же пропорционально и напряжение на выводах 2 и 3 микросхемы. Таким образом, ТКН датчика равен 10 мВ/К; он вяляется здесь и коэффициентом пропорциональности между выходным напряжением датчика и абсолютной температурой.

Для обеспечения высокой линейности преобразования и малого выходного сопротивления микросхемы (менее 1 Ом) усилитель имеет высокий коэффициент усиления — более 40 000.

Основные электрические характеристики датчика

Ток питания, мА	1
Выходное напряжение, мВ при токе питания 1 мА и температуре 298 К (25°С) 398 К (125°С) 263 К (-10°С) для К1019ЕМ1А 228 К (-45°С) для К1019ЕМ1	2952. 3012 3932. 4032 2582. 2682 2232. 2332
Предельно допустимый эксплуатационный режим:
Ток питания, мА	0,5. 1,5
Рабочий температурный интервал, °С, для К1019ЕМ1 К1019ЕМ1А	-45. +125 -10. +125

Рис. 3. Зависимость дифференциального сопртивления от температуры

Рис. 4. Зависимость дифференциального сопротивления от тока питания

На рис 3 и 4 показаны типовые зависимости дифференциального сопртивления микросхем от температуры окружающей среды (при токе питания 1 мА) и тока питания (при темепературе окружающей среды 25°С) соответственно. На обоих графиках заштрихованы области технологического разбросадля 95% микросхем. На рис. 5 представлена типовая зависимость выходного напряжения (между выводами 2 и 3) от температуры окружающей среды.

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения датчика от температуры окружающей среды

Благодаря малому дифференциальному сопртивлению датчика его можно питать от источника напряжения (не менее 10 В) через последовательный резистор, сопротивление которого в килоомах должно быть на 3 кОм меньше значения U_пит в вольтах.

Рис. 6. Типовая схема включения датчика

Но, чтобы в наибольшей степени реализовать возможности микросхемы, ее обычно питают от стабилизатора тока. Типовая схема включения датчика изображено на рис. 6. Генератор тока, собранный на транзисторах VT1, VT2, должен обеспечить ток через микросхему I_пит = 1 мА. Ток устанавливают подборкой резистора R3. Отправное значение сопротивления этого резистора (в килоомах) можно рассчитать по формуле:

R3 = U_пит — 1,7

С целью повышения точности измерения температуры в микросхеме предусмотрена цепь калибровки. При калибровке датчика подстроечным резистором R4 устанавливают по цифровому вольтметру выходное напряжение (в милливольтах) U_вых = 10Т_К, где Т_К — температура в градусах Кельвина. Температуру также необходимо измерять точным термометром.

Рис. 7. Схема термометра с микросхемой К1019ЕМ1

На рис. 7 показана схема термометра, позывающего температуру в градусах Цельсия. Вольтметр PV1 (стрелочный или цифровой) включен в цепь источника образцового напряжения G1. Стрелочный вольтметр для измерения и плюсовой, и минусовой температуры должен иметь шкалу с нулем посредине (в цифровом знак температуры, как правило, устанавливается автоматически). Точность измерения температуры здесь сильно зависит от стабильности образцового напряжения — изменение его на 0,1% (на 2,7 мВ) вызовет изменение показания на 0,27°С.

Источник

Характеристика преобразования температуры в выходное напряжение датчика

Наиболее широкий температурный диапазон имеет датчик TMP36 (прямая b ): -40 о С — +125 о С . Чувствительность датчика (наклон характеристики) составляет 10 мВ/ о С .

Терморезисторы

Основная масса выпускаемых датчиков представляет собой платиновые терморезисторы , имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры, которая описывается эмпирической формулой с точно определенными коэффициентами. Сама формула и коэффициенты приведены в документации на датчик, что позволяет вводить их в программу расчета температуры и получать результат с высокой точностью.

Платиновые терморезисторы выпускаются с номиналами 100 и 1000 Ом при температуре окружающей среды 0°С в двухпроводном варианте.

Схемы включения датчиков

Схема на рисунке 1 позволяет устанавливать температуру срабатывания, по превышению которой выходной усилитель выдает сигнал высокого уровня, а схема на рисунке 2 преобразует сигнал терморезистора в линейное напряжение.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ STMicroelectronics

В классе полупроводниковых температурных сенсоров

фирма STM предлагает две серии устройств:

на основе регулируемого источника тока ;

на основе эффекта Зенера .

Первая серия включает трехвыводные интегральные микросхемы регулируемых источников тока LM134, LM234 и LM334 . Эти ИМС характеризуются широким диапазоном регулирования тока (10000:1) и большим диапазоном рабочего напряжения (1. 40 В). Значение тока зависит только от внешнего резистора Rset, — других дополнительных элементов не требуется. Обратные напряжения до 20 В приводят к изменению тока всего на несколько микроампер, что дает возможность применять данные ИМС в устройствах переменного тока в качестве выпрямителя и источника тока одновременно.

Для приборов LM134/ LM234/LM334 напряжение на выводе управления при +25°С равно 64 мВ и пропорционально абсолютной температуре. Подключение внешнего резистора обеспечивает генерацию тока с температурным коэффициентом 0,33 %/°С. Для устранения дрейфа нуля необходимо использовать дополнительный внешний резистор и диод.

Достоинством описываемых ИМС является возможность использования в качестве удаленных управляемых температурных датчиков, поскольку их выходной ток пропорционален абсолютной температуре

I set = (227 мкВ/К) х(Т)/ R set .

Калибровка датчиков LM134, LM234 и LM334 достаточно проста, поскольку осуществляется путем изменения наклона температурной характеристики (регулировкой усиления), а не ее смещения. Подстройка усиления выполняется установочным резистором Rset или резистором нагрузки.

На основе рассматриваемых микросхем можно реализовать различные устройства для измерения температуры, например, телеметрические датчики, источники тока с нулевым температурным коэффициентом, термометры с низким уровнем выходного импеданса, схемы смещения, драйверы источников опорного напряжения с низким входным напряжением, одноканальные ограничители тока и т.п. Примеры схемных решений приведены на рисунках 1 и 2.

На основе рассматриваемых микросхем можно реализовать различные устройства для измерения температуры,

например, телеметрические датчики, источники тока с нулевым температурным коэффициентом, термометры с

низким уровнем выходного импеданса, схемы смещения, драйверы источников опорного напряжения с низким входным напряжением, одноканальные ограничители тока и

т.п. Примеры схемных решений приведены на рисунках 1 и 2.

Другая серия датчиков — LM135, LM235-LM335A (см. табл. 2), относится к классу прецизионных калибруемых

температурных сенсоров. Они работают подобно стабилитронам, а их пробивное напряжение пропорционально абсолютной температуре с коэффициентом 10 мВ/К. Эквивалентный стабилитрон имеет динамическое сопротивление менее 1 Ом и работает в диапазоне изменения тока от 450 мкА до 5 мА. После калибровки при +25°С, погрешность измерений для LM135, LM235, LM335 составляет менее 1 °С в диапазоне температур до 100°С. В отличие от других датчиков, их выходная характеристика является

Выходное напряжение микросхемы (калиброванное или нет) определяется выражением

V OTt = (V OTo ) х (Т/Т 0 ),

где Т — измеряемая температура, Т 0 — исходная (опорная) температура в К.

Стандартное значение калиброванного температурного коэффициента выходного напряжения составляет 10 мВ/К.

Источник

LM317: Характеристики, виды и схемы

LM317 – это регулируемый стабилизатор напряжения. Он может служить для создания различных блоков питания. Он способен быть основой для стабилизатора тока, зарядного устройства, лабораторного блока питания и даже звукового усилителя. Для того, чтобы им воспользоваться, достаточно подключить его к одной их схем обвязки, обозначенных ниже.

Эта микросхема является одной из самых популярных в мире – все из-за простоты ее устройства и работы с ней, ее дешевизны и надежности. Последнее обеспечивается наличием защит короткого замыкания выводов и перегрева микросхемы. LM317 не требует множества компонентов в качестве обвязки. Наибольшую популярность микросхема приобрела в среде радиолюбителей.

LM317 регулирует напряжение линейно, что является ее преимуществом относительно импульсных преобразователей. Микросхема продается в нескольких вариантах корпуса, наибольшей популярностью пользуется версия LM317T в корпусе TO-220. Она была разработана Бобом Добкиным в 1976 году, когда он работал в National Semiconductor, и с тех пор является бессменным хитом в кругах радиолюбителей.

Схема LM317

Все внутреннее устройство стабилизатора можно видеть на его схеме, взятой в datasheet. На ней изображены три вывода схемы: вход (на этот вход подается питание), регулировка и выход. На пине регулировки вольтаж сигнала сначала понижается на одностороннем ограничителе до стабильных 1.25В и служит опорным источником, а ток, вместе с током питания идут на компаратор, основанный на операционном усилителе.

Также на схеме можно видеть выходной каскад на базе биполярного транзистора, который усиливает ток, и блок защиты от перегрева и превышения по току.

Справа от блока защиты находится датчик тока, падение на котором и отслеживается защитой с целью предупреждения повреждений от КЗ.

Характеристики LM317

• Максимальное входное напряжение LM317 – 40В
• Диапазон напряжений выхода LM317 – 1.2-37В
• Максимальный выходной ток для LM317 – 1.5А
• Опорное напряжение микросхемы – 0.1-1.3В
• Минимальный ток нагрузки – 3.5mA
• Погрешность напряжения на выходе – 0.1%
• Рассеиваемая мощность – 20Вт
• Рабочий температурный диапазон – 0-125C
• Температурный диапазон хранения – -65-150C
• Температурный диапазон хранения – -65-150°C

Виды LM317

Микросхема продается в нескольких варианта корпуса, в зависимости от потребности в размерах, нагрузки и подключении, а также типу монтажа схемы — каждый может выбрать наиболее подходящий ему вариант.

Наиболее популярна LM317T в корпусе TO-220 на 1.5 Ампер. Это считается универсальным вариантом, так как может использоваться в навесном монтаже, а также поверхностном. Радиатор в таком корпусе позволяет отводить излишнее тепло и испытывать более серьезные нагрузки, чем его собратья, а при необходимости его можно прикрепить к большему радиатору.

Подключение LM317

LM317 имеет следующую конфигурацию выводов в разных корпусах:

Минимальная схема подключения представляет собой два резистора сопротивления и три конденсатора, подключенных согласно схеме. В соответствии с характеристиками сопротивления и будет определяться напряжение на выходе.

У LM317 два главных параметра: это его опорное напряжение, а также ток, истекающий на выводе подстройки. Опорное напряжение (Vref) — напряжение, которое стабилизатор поддерживает на сопротивлении R1. Оно нестабильно и разнится от партии к партии в среднем на 0.1В, поэтому для расчетов лучше держать в уме усредненное значение – 1.25В. Для серьезных же проектов стоит измерить его для каждого используемого экземпляра. Соответственно, следуя схеме, если замкнуть резистор R2, то на выходе мы получим опорное напряжение – 1.25В, а с увеличением вольтажа на R2 будет увеличиваться и выходное напряжение. Таким образом, LM317 постоянно сравнивает напряжение на выходе через резистивный делитель с опорным, поэтому, меняя сопротивление, мы меняем выходное напряжение.

Ток, утекающий на подстройке (Iadj) – паразитный. По заявлению производителей он составляет от 50 до 100 мкА, но на деле же может достигать и 500 мкА. Из-за этого для стабильности выходного напряжения сопротивление R1 не должно быть выше 240 Ом, чтобы через делитель не проходил ток менее 5 мА.

Все, что вам нужно – это подставить ваше значение R1 в это формулу R2=R1*((Uo/Uref)-1).

Типовые схемы LM317

Как было указано, в LM317 используется при создании регулируемых и нерегулируемых блоков питания, однако, также может быть использован в качестве основы стабилизатора тока при создании светодиодных драйверов, которые поддерживают ток в цепи вне зависимости от входного напряжения. Только описанных в datasheet применений хватит на отдельную книгу, поэтому разберем несколько самых популярных схем на этом стабилизаторе.

Регулируемый блок питания (1.2-37В)

Все, что понадобится для его создания, это заменить R2 на переменный резистор, а также добавить трансформатор с диодным мостом на вход. При использовании стоит учитывать, что микросхема обладает опорным напряжением в 1.25В, поэтому оно и будет минимальным для данной схемы.

Регулируемый блок питания (0-37В)

Если вам необходима полная регулировка с 0В, то производители схем предлагают подключить к схеме источник отрицательного напряжения на 10В.

Вы можете намотать дополнительную катушку на трансформатор блока питания и подключить его выводы после диодного моста следующим образом:

Либо вы можете использовать источник отрицательного напряжения, который будет питаться от основной обмотки.

Таким образом, вы получите простейший лабораторный блок питания.

Светодиодный драйвер (Стабилизатор тока)

С помощью этой схемы вы можете запитывать достаточно мощные светодиоды и светодиодные ленты. Все, что нужно — это знать потребляемый ток и, исходя из него, подобрать сопротивление по формуле.

В нем используется тот же принцип, что и в самой простой схеме, но вместо резистивного делителя установлен датчик тока. Чем больший ток потребляет нагрузка на выходе, тем большее падение напряжения будет наблюдаться на датчике. Оно отслеживается микросхемой, и она увеличивает или уменьшает напряжение для поддержания стабильного тока. Даже при коротком замыкании ток будет держаться на стабильном уровне, который был выставлен.

Зарядное устройство

Схема данного зарядного устройства взята из datasheet и имеет напряжение на выходе 6В с ограничением 0.6А. С помощью изменения сопротивления резисторов R1 и R2 возможно регулировать напряжение под ваши нужды, а при помощи резистора R3 – ток. Оно подойдет для питания аккумуляторов телефонов, инструментов и бытовой техники.

Регулирование переменного напряжение

Так как два LM317 могут регулировать не только положительные, но и отрицательные колебания синусоиды, то с помощью них можно создать AC регулятор. Можно видеть, что схема довольно не сложная и не требует множества компонентов:

Как проверить LM317?

В отличие от транзисторов, данную микросхему невозможно проверить мультиметром. Такой способ никак не гарантирует правильную работу из-за большого количества внутренних элементов, не соединенных с выводами. Поэтому, если какой-то из них выйдет из строя, то проверить это мультиметром будет проблематично. Самый простой способ проверки работы LM317 — это создать простейший стенд на макетной плате, а запитать его можно будет всего лишь от батарейки.

Таким образом, вы сможете быстро убедиться в полностью рабочем состоянии элемента, даже если необходимо проверить несколько штук.

Применение LM317

Схемы, приведенные выше – лишь малая часть, основа, по сравнению с тем, что возможно сделать на этом стабилизаторе. Он может использоваться почти во всех схемах, которые требуют постоянного питания до 40 В. Вот некоторые сферы применения, описанные в официальном техническом документе данной микросхемы:

• Персональные компьютеры
• Цифровые камеры
• ЭКГ
• Интернет свитчи
• Биометрические датчики
• Драйверы электромоторов
• Портативные зарядки
• PoE
• RFID считыватели
• Бытовая техника
• Рентгеновские аппараты

Как можно видеть, даже сам производитель рассчитывает на максимально широкое использования данного элемента, что уж говорить о самодельщиках, готовых представить самые необычные схемы с использованием LM317.

Повышение максимального выходного тока

Существует два способа повышения максимального выходного тока. Если вам необходимо получить больше 1.5А, то вы можете либо подключить несколько микросхем параллельно, либо подключить силовой транзистор.

В первом случае достаточно подключить на выход стабилизаторов резисторы с низким сопротивлением. Они нужны для выравнивания токов.

Однако не всегда рационально использовать несколько микросхем. Поэтому нам на помощь приходит транзистор. В таком случае будет достаточно добавить его и резистор в качестве обвязки к нему.

Если нагрузка потребляет небольшой ток, то он будет проходить через микросхему, не затрагивая транзистор. А при повышении, почти весь ток будет проходить через транзистор, оставляя малую его часть стабилизатору. Но при использовании этой схемы внутренняя защита внутри LM317 от КЗ.

Аналоги LM317

Что делать, если нет возможности использовать LM317? Можно воспользоваться ее аналогами. Братьями-близнецами данного компонента являются UPC317, GL317, ECG1900 и SG317. Отечественный же аналог — это KP142EH12A, а также существует KP142ЕН12 с фиксированным напряжением.

Если LM317 не хватает мощности для вашего проекта, то можно воспользоваться более мощными вариантами:

• LM350AT и LM350T – максимальный выходной ток 3А и мощность 25Вт
• LM350K – ток 3 А и мощность 30 Вт
• LM338T и LM338K – ток 5 А

Все эти микросхемы имеют одинаковые выводы, поэтому схемы не придется никак менять.

Безопасная эксплуатация LM317

Стоит помнить об эксплуатационных характеристиках радиокомпонента и не использовать его в критических условиях. Мощность рассеивания по официальной информации – 20 Вт, а разница входного и выходного напряжений не должна превышать 40 В. Во время пайки температура должна не превышать 260 C. Использовать можно при температуре от 0C до 125C, а хранить от -65C до 150C. Все это официально заявленные характеристики, в реальности они могут расходиться от экземпляра к экземпляру и быть заниженными.

Не стоит использовать элемент при максимальных и минимальных обозначенных значениях. При такой эксплуатации уровень стабильности и надежности значительно упадет. А также крайне желательно использовать радиатор для отвода тепла, так как иначе заявленные характеристики могут не совпадать с реальными.

Datasheet, даташит

Datasheet на данный стабилизатор проще всего найти на сайте производителя Texas Instruments. Или по ссылке.

В даташите вы сможете найти наиболее точные характеристики и спецификации, а также графики, отражающие работу микросхемы. Помимо этого, там описаны некоторые из типовых схем, использования и подробное описание их настройки под различные нужды. А также рекомендации по использованию.

Производители LM317

Так как LM317 является самым популярным стабилизатором напряжения, то ее выпускают крупнейшие предприятия по производству микросхем:

• Texas Instruments
• STMicroelectronics
• ONS
• UTC

Где купить LM317?

Стабилизатор применяется крайне широко, поэтому проблем с покупкой не возникает, он доступен почти во всех интернет-магазинах радиоэлектронных компонентов. Но к нам этот товар, как и другие радиоэлектронные компоненты, попадает по крайне завышенной цене, поэтому выгоднее всего купить его на AliExpress по этой ссылке .

Источник